双聚合物刷修饰的正渗透型吸附膜的制备及其选择性吸附重金属、水过滤和抗污染三者的协同促进机制研究

The wastewater containing heavy metal ions would do harm to nature and people’s health. It is of great importance to simultaneously recover the heavy metal and pure water from the wastewater with the integrated technology. In this project, a double polymer brush-modified polysulfone/polyamide multi-functional forward osmosis adsorptive membrane will be prepared, with the polyamine polymer brush grafted on the polysulfone porous supporting layer, and Jaffamine® polymer brush grafted on the polyamide active layer. The main research contents will include the preparation and characterization of the forward osmosis adsorptive membranes, the performances of the copper ion selective adsorption and recycle, water filtration and membrane anti-fouling. This project will mainly elucidate the mechanisms of copper ion selective coordination with the polyamine brushes grafted on the membrane surface, as well as the membrane anti-fouling. Furthermore, investigation will be carried out on the mutual influences and synergistic improvement mechanisms of copper ion selective adsorption, water filtration and membrane anti-fouling properties. In addition, this project will elucidate the influencing factors that would effectively decrease the concentration polarization and membrane fouling, as well as increase the water flux stability during the forward osmosis treatment with the heavy metal ion solutions. This project will show prospect in the application of the integrated treatment of the heavy metal wastewater. In addition, this project will provide theoretical bases for the structural design of forward osmosis adsorptive membranes for other heavy metal ion treatment.

重金属废水污染自然水体，危害人类健康，迫切需要对废水中的重金属和纯水同时进行一体化的分离回收。本项目将以聚砜/聚酰胺正渗透膜为基础，通过在聚砜基膜上接枝多元胺聚合物刷、在聚酰胺皮层上接枝Jaffamine®聚合物刷的方式，制备双聚合物刷修饰的聚砜/聚酰胺多功能正渗透型吸附膜。本项目主要研究正渗透型吸附膜的制备条件及性能表征，以及选择性吸附和回收重金属铜离子、水过滤特性和膜抗污染特性。本项目重点阐明在正渗透过程中膜基体接枝的多元胺聚合物刷选择性络合铜离子的机理以及膜抗污染机理，以及铜离子选择性吸附、水过滤特性、膜抗污染特性三者之间的相互影响及协同促进机制。另外，阐明正渗透型吸附膜及其在处理重金属水体过程中，能够有效降低浓差极化及膜污染、以及提高水通量稳定性的因素及其作用机制。该项目在重金属废水一体化处理方面具有良好的应用前景，其机理研究将为其它正渗透型吸附膜的结构设计提供理论基础。

重金属废水危害人类健康，污染自然水体，废水中的重金属和纯水同时进行一体化的分离回收具有重要意义。本项目以聚酰胺为皮层材料，聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯等为基膜材料，利用聚合物刷接枝技术、胺化表面改性技术、层层自组装技术、中间层嵌入等技术，成功制备出一系列复合型正渗透膜。本项目主要研究了正渗透膜的制备条件、性能表征、特征参数测定，以及吸附截留重金属离子、水通量特性和膜抗污染特性和机理。重要结果包括：（1）正渗透膜皮层上的胺基基团通过络合方式吸附铜离子，可对原料液中其它重金属离子形成有效的电荷斥力而提升截留率，并有效缓解浓差极化现象；（2）铜-胺基络合结构有效提升了膜表面的亲水性，对水通量的提高有明显的促进作用；（3）基膜接枝亲水性聚合物刷，能够有效地提升膜对腐殖酸、牛血清白蛋白等有机物的抗污染效能；（4）作为研究扩展，本项目同时考察了利用皮层掺杂改性技术、皮层层层自组装技术以及中间层引入策略进行正渗透膜结构调控对正渗透膜性能的影响，在重金属截留、水通量提升以及抗污性能改善方面均起到了正向的促进作用；（5）阐明了重金属吸附、水通量提升以及抗污染特性之间的相互影响机制以及协同促进机制。本项目利用聚合物刷接枝技术、胺化表面改性技术、皮层掺杂改性技术、层层自组装技术、中间层嵌入技术研究制备了一系列功能性正渗透膜，其重金属截留、正渗透性能以及抗污性能等关键数据已记录在报告正文中。本项目研究在重金属废水一体化处理方面具有良好的应用前景，其机理研究将进一步提升正渗透膜的应用前景。同时，本项目揭示了结构调控对于提升正渗透膜性能的重要意义，皮层接枝聚合物刷、皮层掺杂水通道介质、皮层的层层自组装制备、皮层的原位重金属络合、支撑层接枝聚合物刷、以及中间层的引入等策略对正渗透膜的整体性能提升具有明显的促进作用，也为其它功能性正渗透膜的设计提供理论基础。